第一节　水性光固化涂料的发展历史、机遇与挑战

一、水性光固化涂料的发展历史

活性稀释剂和挥发性有机物对人体的伤害和环境污染问题，已成为光固化行业难以逾越的技术屏障，因而限制了它的应用与发展。为此，一种新的固化体系——水性光固化体系应运而生。水性光固化体系结合了传统的光固化技术、水性涂料和水性油墨的优点，以其环保的优势得到了人们的关注，现已成为光固化技术领域一个非常活跃的分支。水性光固化涂料从发展历史看，可以分为四个阶段。

第一代水性光固化涂料——外乳化型：早期出现的水性光固化树脂多为外加乳化剂类型，使用的是不可聚合的普通乳化剂，在高剪切力的作用下将油性光敏树脂分散在水中。由于这种体系的低聚物（树脂）一般没有亲水链段或基团，与水的亲和性较差，而主要由乳化剂提供与水的亲和能力。乳化剂由亲水基团和亲油基团组成，亲油基团一般为长链烷烃，与树脂液滴混溶；而亲水基团分布在液滴外面，形成亲水层。这些乳液的固含量相对较高，但对pH值变化和剪切力非常敏感。20世纪70年代后期，出现了可聚合型的乳液体系，这种乳液体系固含量相对较高（可超过60%），乳化剂的用量比例也较大（约10%），但使用时无气味。

第二代水性光固化涂料——非离子自乳化型：为了避免外加乳化剂对涂膜性能的危害，将聚乙二醇结构链段嵌入聚合物分子链结构中，制成可自乳化的光固化树脂。由于分子链上带有亲水基团，在光固化后也不会被消除，该类涂膜的耐水性、耐化学性较差。

第三代水性光固化涂料——水分散体系混合型：将水性光固化低聚物/树脂与其他水分散体系（多为丙烯酸分散体系）混合，固化组分稳定在非光固化丙烯酸组分的水相中。相对于第一代水性光固化涂料，可将乳化剂换成大分子乳化剂，这可使涂膜在固化后，固化膜中小分子含量下降，耐水性增强。但是整个体系中含有的有效固含量较低，这类产品的交联密度不高，耐化学性较传统的光固化产品差。

第四代水性光固化涂料——离子稳定的自乳化型：将含离子基团（通常为羧基或胺基）的化合物设计在光固化体系主体树脂的主链或侧链上，然后经过中和乳化，使之获得更好的水溶性。这种类型的产品具有较好的乳液性质，对剪切力较稳定，形成的乳胶粒较小，储存期较长。这种类型的光敏树脂由于不需要乳化剂，具有优良的涂膜性能，成为目前研究最多的一种新型水性光固化涂料。

由于水性光固化体系的突出优点，近几年来已成为非常活跃的研究和开发领域，吸引了很多科研工作者和技术工程师的关注，人们对它的研究和认识也越来越深入，已在发达国家获得了普遍认可和工业应用。但是，就在水性光固化体系快速研发与成长的二十年间，人们对它的疑惑和争论也从未停止。

近年来，市场上开始接受水性光固化涂料产品，其市场需求量和新技术研发与日俱增，其主要应用在两个方面：一是木器底漆UV涂料；二是印刷艺术。目前，水性光固化体系包括如下类型：①水溶型（water-soluble）；②水分散型（water-dispersible）；③乳液基型（latex-based）；④杂化混合型（hybrid）。

二、水性光固化涂料的机遇与挑战

2019年11月13日，工信部发布的《木器涂料中有害物质限量》等8项化工行业强制性国家标准报批公示，其中5项涉及涂料、胶黏剂行业。新国标将对涂料、胶黏剂等行业的VOCs排放提出了更高的要求。其中GB 24408—2009和GB 18581—2009分别对建筑用外墙涂料和室内装饰装修材料中有害物质限量作出明确要求。欧盟装饰涂料指令（2004/42/EC），美国绿色涂料标志要求（GS-11）对VOCs排放作出限制要求。相关的VOCs限量指标如表4.1和表4.2。

表4.1　中国与国外外墙涂料VOCs限量对比

表4.2　中国与国外溶剂型木器涂料VOCs含量限量比较

对比水性涂料与油性涂料可以看出：水性涂料VOCs含量远低于油性涂料。近年来，随着空气环境质量的下降，人们环保意识逐渐提高，以及国家出台环境保护的相关法律法规，油性涂料逐渐被禁止或减少使用，水性涂料逐渐被行业及用户重视。水性光固化涂料结合了水性涂料和传统光固化涂料的特点，具有环保性和高效性，成为涂料行业重要的发展方向。

与传统油性光固化涂料相比，水性光固化涂料具有以下特点：①不必借助活性稀释剂来调节黏度，可极大降低VOCs排放，解决毒性及刺激性等问题；②可用水或增稠剂方便地控制加工流变性，可用于喷涂；③可避免由于活性稀释剂所引起的固化收缩，可用于非吸收性表面，如塑料的涂布；④可得到极薄的涂层；⑤设备、容器等易于清洗；⑥光固化前可指触，可堆放和修理；⑦大大降低火灾危害风险。除了上述优点外，水性光固化涂料还有一个很突出的优点，就是解决了传统光固化涂料的硬度和柔韧性之间的矛盾。但水性光固化涂料也面临着技术瓶颈与挑战。与其他水性涂料体系一样，水性光固化涂料存在的主要技术困难和问题是：①光固化前大多必须预干燥，不适用于现有的光固化设备；水的高蒸发热（约40.6kJ/mol），使预干燥不仅耗能而且费时，对于铁质基材还可能引起“瞬时锈蚀”问题。②水的高表面张力带来一系列问题，如对基材（特别是低表面能者）和颜料的浸润性差、易引起涂布不均等，虽然可加入共溶剂或表面活性剂解决，但又会造成污染以及起泡、针眼等问题。③固化膜的光泽低，耐水性和耐洗涤性较差。④体系的稳定性较差，对pH较为敏感。⑤水性体系较厚的涂层在烘烤过程的“爆泡”问题是成型工艺难以控制的质量问题。⑥水的凝固点比一般有机溶剂高，在运输和储藏过程中需要加入防冻剂。⑦水性光固化体系容易产生霉菌，需加入防霉剂，使配方复杂化。